P023-用MSC.Nastran進(jìn)行流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

1、用 MSC.Nastran 進(jìn)行流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析王安平劉兵山中國(guó)科學(xué)院光電研究院 北京 100190摘要：本文用Nastran2005對(duì)一個(gè)流固耦合系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析, 結(jié)合一個(gè)密閉的薄壁結(jié)構(gòu)模型，給出了分析的一般過(guò)程和需要注意的 問(wèn)題，也給出了該薄壁結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、空腔系統(tǒng)的聲學(xué)模態(tài)頻率， 以及耦合系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)和空腔的聲學(xué)模態(tài)頻率和振型的變化。關(guān)鍵詞：Nastran,流固耦合，聲學(xué)Modal Analysis Using MSC.Nastran for CoupledFluid-Structure SystemWANG Anping, LIU BingshanAcademy of O

2、pto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing , 100190 ChinaAbstract ：The paper introduced the modal analysis method for the coupled fluid-structure (CFS) system using MSC.Nastran2005. Combined the model of a sealed laminated structure, analytical approach and watchful items are presented. A

3、nd making use of the MSC software, the structure modal analysis and the cavity acoustic modal analysis of the CFS system are simulated.Keywords: Nastran, Coupled fluid-structure, Acoustics0 前言流固耦合法廣泛應(yīng)用于聲學(xué)和噪聲控制領(lǐng)域， 如發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲控制。對(duì)空腔 結(jié)構(gòu)（比如汽車車室、宇宙飛船船艙 ）進(jìn)行流固耦合分析，可以知道耦合作用對(duì)系 統(tǒng)模態(tài)的影響，可為研究耦合系統(tǒng)的聲學(xué)特性提供可靠的理論和試驗(yàn)依據(jù)。之前

4、的文獻(xiàn)中 1，為得到流固耦合系統(tǒng)的計(jì)算模型，往往要對(duì) .bdf 文件進(jìn) 行復(fù)雜的手工修改，容易出錯(cuò)，且不方便。本文對(duì)一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)，用 Patran2005 建模，完成了流固耦合模態(tài)分析，過(guò)程簡(jiǎn)便，且不易出錯(cuò)。1 建模一個(gè)圓臺(tái)形的密封薄壁空腔結(jié)構(gòu)，上底面半徑為0.3m,下底面半徑為0.2m, 壁厚為0.001m,上下底距離為0.7m，材料為鋁合金。用4結(jié)點(diǎn)體元?jiǎng)澐挚涨?，空腔聲學(xué)系統(tǒng)的模型如圖 1所示，單元尺寸約 0.1m， 含1637個(gè)體元；用3結(jié)點(diǎn)殼元?jiǎng)澐直”诮Y(jié)構(gòu),模型如圖 2所示,單元尺寸約 0.05m, 含 1631個(gè)殼元。Nastran 在計(jì)算時(shí),要求流體的單元尺寸要大于結(jié)構(gòu)單元的尺寸,

5、以保證流體模型界面上的結(jié)點(diǎn)都能夠與結(jié)構(gòu)單元的結(jié)點(diǎn)耦合。 在建立流固耦合模型時(shí)，先 建立空腔模型，然后細(xì)化薄壁結(jié)構(gòu)模型。圖1空腔網(wǎng)格圖2結(jié)構(gòu)網(wǎng)格2材料屬性及單元屬性定義結(jié)構(gòu)的殼元材料和單元屬性時(shí)，步驟和方式與一般Nastran使用過(guò)程一樣。在Patran2005中，有定義流體材料的選項(xiàng)。在Material的Object下拉菜單中， 選擇Fluid，定義空氣的體積模量為141600 Pa,質(zhì)量密度為1.29 kg/m3，無(wú)需定 義聲速。3結(jié)構(gòu)及空腔的模態(tài)分析分別對(duì)結(jié)構(gòu)及空腔進(jìn)行模態(tài)分析，求解器為SOL103,表1和表2給出結(jié)構(gòu)及空腔的部分模態(tài)頻率分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)的前 6階模態(tài)頻率為0,對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛體

6、 模態(tài)?？涨坏牡?階模態(tài)頻率為0,空腔內(nèi)各點(diǎn)聲壓變化的幅值相同，相當(dāng)于結(jié) 構(gòu)模態(tài)中的剛體模態(tài)。圖3給出結(jié)構(gòu)的部分模態(tài)振型，圖4給出空腔的部分聲學(xué) 模態(tài)振型。表1薄壁結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率(Hz)階數(shù)頻率階數(shù)頻率7 28.891296.858 58.3713114.109 58.5914131.9310 62.88 *5134.1211 96.6716144.31表2空腔的聲學(xué)模態(tài)頻率(Hz)階數(shù)頻率階數(shù)頻率1 0 6481.302 235.557 483.853 367.618 577.974 368.049 580.955 463.1410607.23a) 28.89Hzb) 58.37Hz圖3結(jié)構(gòu)

7、的模態(tài)振型a) 235.55Hzb) 367.61Hz圖4空腔的聲學(xué)模態(tài)振型4流固耦合系統(tǒng)的模態(tài)分析在做結(jié)構(gòu)與空腔的流固耦合分析時(shí)，必須保證結(jié)構(gòu)單元的結(jié)點(diǎn)編號(hào)與空腔單 元的結(jié)點(diǎn)編號(hào)分開，即兩類單元沒(méi)有共用的結(jié)點(diǎn)編號(hào)。由于結(jié)構(gòu)和空氣在界面的相互作用，導(dǎo)致質(zhì)量和剛度陣中引入了對(duì)角線外的 耦合項(xiàng)，對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)將出現(xiàn)復(fù)特征值。采用Nastran的復(fù)特征值(COMPLEX EIGENV ALUE)的直接法求解器 SOL107求解。輸出.bdf文件，用記事本編輯該文件。在“ BEGIN BULK ”字段下面，手 工添加“ ACMODL IDENT ”字段即可。該文字作用是使兩個(gè)模型中，坐標(biāo)重

8、合的結(jié)點(diǎn)(即空腔結(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn))耦合在一起，保證它們?cè)诜治鰰r(shí)一起運(yùn)動(dòng)， 從而完成聲固耦合系統(tǒng)模型的建立。提交編輯后的.bdf文件到Nastran運(yùn)算。表3給出流固耦合系統(tǒng)的模態(tài)頻率，前 7階模態(tài)頻率為0。圖5給出耦合系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖，圖6給出耦合系統(tǒng)的空腔模態(tài)振型。表3流固耦合系統(tǒng)的模態(tài)頻率(Hz)階數(shù)頻率階數(shù)頻率8 44.451392.569 55.7214109.9310 56.03 *5121.9311 66.5316124.6312 92.06 *7135.95a)44.45Hzb)55.72Hz圖5耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型a) 44.45Hzb) 55.72Hzc) 231.3

9、9Hzd) 378.06Hz圖6耦合系統(tǒng)的空腔模態(tài)振型在考慮流固耦合后，結(jié)構(gòu)非零模態(tài)頻率由 28.89Hz成為44.45Hz,這一改變 十分明顯，可見對(duì)于本文中的這一密閉系統(tǒng)，空氣對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響較大。表 1 和表3的數(shù)據(jù)對(duì)比后可知，表中耦合系統(tǒng)的模態(tài)頻率接近于結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率， 可 見在低頻段，以結(jié)構(gòu)的變形為主。對(duì)于這一耦合系統(tǒng)，聲學(xué)空腔通過(guò)邊界條件與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)相耦合， 共同決定 了空腔內(nèi)部的聲壓和整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)特征，使系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生變化。圖 6中，c、 d所示的耦合系統(tǒng)空腔的模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖4的空腔模態(tài)，可見模態(tài)頻率有稍微變化。5噪聲的頻率響應(yīng)分析用一定頻率范圍內(nèi)的白噪聲激振力來(lái)激振系統(tǒng)，得到系

10、統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)特 性。固定結(jié)構(gòu)的下底面，激勵(lì)力加載于結(jié)構(gòu)上底面中間位置。噪聲頻率范圍為20500Hz，幅值是9.8牛頓，用SOL108求解器進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。圖7給出空腔的聲壓分布，頻率對(duì)應(yīng)耦合系統(tǒng)聲腔模態(tài)的頻率 (圖6c、d)。比較圖6和圖7后可知，聲壓的分布與模態(tài)振型基本相同， 從而說(shuō)明空腔噪聲響 應(yīng)的分布與其模態(tài)振型密切相關(guān)。a) 240Hzb)384Hz圖7頻率響應(yīng)聲壓的分布6結(jié)論通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行流固耦合建模分析，本文給出了用 Nastra n2005進(jìn)行流固耦合聲學(xué)分析的一般過(guò)程。分析結(jié)果表明：耦合系統(tǒng)并不是兩個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的疊加，二者之間的相互作用 會(huì)一定程度上改變?cè)到y(tǒng)模態(tài)的頻率和振型。圖 6中，a、b所示結(jié)果表明，結(jié) 構(gòu)在其模態(tài)頻率處的振動(dòng)，會(huì)引起空腔產(chǎn)生相應(yīng)模式的振動(dòng)。通過(guò)對(duì)流固耦